薄基岩大断面巷道顶板稳定性支护研究
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结构名称 风积沙 粘土层 砂质泥岩 粉砂岩 细沙岩 粉砂岩 2 -2 煤 细砂岩
[3 ~ 6 ]
图1
二维平面模型
累计厚度( m) 103 . 29 101 . 49 23 . 49 21 . 63 18 . 38 8 . 93 8 . 33 2 . 78
“两带 ” 动破坏 高度的动态变化特征, 提出了长壁工作 面开采防止突水溃砂的调控技术; 文献 板来压等进行研究; 秦忠诚 嘉
ห้องสมุดไป่ตู้
式中: C - 材料粘聚力; - 材料内摩擦角; I1 - 第一应力不变量; J2 、 J3 - 分别为第二 、 第三偏应力不变量 。 无支护顶板受力变形特性 切眼设计高度为 3. 9m, 按 10m 宽度开挖, 即模型 45m ~ 55m 宽度范围 。开挖后无支护情况下, 切眼上方 不同高度处各岩层所受的垂直压力分布如图 2 所示 。 表2
108
2012 年第 3 期
薄基岩大断面巷道顶板稳定性支护研究
柳
摘 要
泉, 刘坤朋
( 兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿, 山东 邹城 273500 ) 对于浅埋薄基岩大断面巷道, 锚杆支护一般起组合梁的作用, 能较好地提高浅部岩层的抗弯拉性, 但不能有效控制顶板的沉降; 而锚 浅埋深 薄基岩 大断面巷道 A 稳定性控制 数值分析
109
因此, 锚杆锚索联合支护可以很好地控制薄基岩 顶板的稳定性 。
图2
切眼上方不同深度处岩层垂直压力
图4
顶板垂直应力比较
由图 2 看出, 切眼开挖后, 无支护情况下, 各岩层 2. 5m 其中, 正上方的垂直压力得到不同程度的释放, 以下全部释放, 垂直压力为零; 而 9. 5m 以上垂直压力 变化较小; 其中, 超过 11. 5m 压力几乎没有变化, 与初 各岩层垂直压力的变化也可以说 始压力相等。此外, 明各岩层离层变化情况, 如 2. 5m 以下范围内各岩层完 无挤压; 而超过 11. 5m 的岩层几乎无离层现 全离层, 对薄基岩顶板必须采取合理的支护方式 。 象 。因此, 3 3. 1 锚杆锚索联合支护机理分析 切眼支护参数设计 切眼顶板支护设计采用锚杆和锚索联合支护 方 锚杆参数为: Φ16 × 2100mm, 间排距为: 1. 0 式。其中, × 1. 0m, 呈矩形布置, 每排布置 10 根; 锚索设计参数 为: Ф15. 24 × 8000mm, 间 排 距 为: 2. 5 × 2. 5m, 每排 4 根; 切眼帮部裸体支护 。切眼支护断面如图 3 所示。 3. 3
名称 砂土 粘性土 砂质泥岩 粉质砂岩 细砂岩 煤 密度 ( kg / m3 ) 2200 1800 2400 2436 2467 1270
岩土体物理力学参数
弹性模量 E( GPa) 0. 3 1. 0 18 8. 9 9. 7 10 内聚力 ( MPa) 0. 5 1. 0 8. 0 7. 50 14. 35 1. 2 内摩擦角 Φ( ° ) 20 13 31 30. 3 21. 8 38 泊松比 ν 0. 4 0. 3 0. 18 0. 18 0. 16 0. 2
J2 - 3 C 槡 1 - 1 3 3 J3 θ = cos ( 槡 3 /2 ) 3 2 J2
* 收稿日期: 2012 - 04 - 16 作者简介: 柳泉( 1975 - ) , 山东莱阳人, 毕业于山东科技大学采矿 工程专业, 现任兖矿集团鲍店煤矿计划科副科长 。
2012 年第 3 期
影响范围约为 5m 左右 。 沉降,
杆锚索联合支护则可以较好地控制顶板岩层的受力和变形, 且锚索预紧力对支护效果有很大影响。 关键词 中图分类号 TD353. 6 文献标识码
兖州矿区赋存有大量浅埋煤层 。 与深埋 煤层相 比, 浅埋煤层上部基岩一般较薄, 由多个岩层分层组 成, 各岩层具有软、 弱、 薄等特征
[1 ]
, 并且薄基岩上部还
分布有较厚的粘土、 风积砂等松散层, 因此, 巷道开挖 时往往会导致冒顶、 溃砂等事故, 威胁矿山安全生产 。 所以, 加强对薄基岩巷道顶板受力变形特性及支护方 式的研究是十分必要的 。 目前, 我国有关薄基岩的研究还很少 。 其中, 宣以 琼
[2 ]
通过多因素拟合, 确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采 表1
[8 ] [7 ]
切眼顶板结构柱状图
厚度( m) 1 . 80 78 . 0 1 . 86 3 . 25 9 . 45 0 . 60 5 . 55 2 . 78
分别通过
试验 、 数值模拟等方法对薄基岩巷道顶板破断规律 、 顶 通过试验研究, 成功地提 高了杨村 矿 3 煤 层 薄 基 岩 区 综 放 面 开 采 上 限; 郭 维 等基于建筑物下条带法开采的地表变形观测, 结 合数值模拟方法研究了厚松散层薄基岩条件下, 条带 法开采不同采留尺度的地表沉陷规律等 。 1 数值模型的建立 切眼正常段设计宽度为 8. 5m, 局部机窝 、 架窝处 为 10m。根据顶板受力特点, 按平面应变对问题进行 简化, 建立二维几何模型, 如图 1 所示 。 其中, 切眼取 10m 计算, 模型宽度取 100m, 左右两侧边界水平方向 约束, 底部垂直方向约束。 由切眼附近钻孔揭露的上 部岩层结构如表 1 所示 。 模型假定各岩土体为弹塑性材料, 物理力学参数如表 2 所示, 材料破坏符合 Mohr - Coulomb 准则, 屈服表达式为: f MC cosθ) 1 = I1 sin + ( 3 ( 1 - sin ) sinθ + 槡 3 ( 3 + sin ) 2 ( 1) ( 2) 2
图6
锚索预紧力对顶板位移影响
4
图3 切眼支护剖面图
图5 顶板位移比较
锚索预紧力影响分析 假设锚杆的预紧力为 50kN, 取锚索预紧力分别为
80kN、 100kN、 150kN、 200kN, 则不同锚索预紧力对顶板 沉降量的影响如图 6 所示 。 从图 6 中可以看出, 随锚索预紧力的增大, 巷道顶 特别是顶板表面附近位移变化较 板沉降量逐渐减小, 支护施工过程中, 提高预紧力对减小顶板 显著 。因此, 下沉, 控制巷道稳定性是十分必要的 。
[3 ~ 6 ]
图1
二维平面模型
累计厚度( m) 103 . 29 101 . 49 23 . 49 21 . 63 18 . 38 8 . 93 8 . 33 2 . 78
“两带 ” 动破坏 高度的动态变化特征, 提出了长壁工作 面开采防止突水溃砂的调控技术; 文献 板来压等进行研究; 秦忠诚 嘉
ห้องสมุดไป่ตู้
式中: C - 材料粘聚力; - 材料内摩擦角; I1 - 第一应力不变量; J2 、 J3 - 分别为第二 、 第三偏应力不变量 。 无支护顶板受力变形特性 切眼设计高度为 3. 9m, 按 10m 宽度开挖, 即模型 45m ~ 55m 宽度范围 。开挖后无支护情况下, 切眼上方 不同高度处各岩层所受的垂直压力分布如图 2 所示 。 表2
108
2012 年第 3 期
薄基岩大断面巷道顶板稳定性支护研究
柳
摘 要
泉, 刘坤朋
( 兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿, 山东 邹城 273500 ) 对于浅埋薄基岩大断面巷道, 锚杆支护一般起组合梁的作用, 能较好地提高浅部岩层的抗弯拉性, 但不能有效控制顶板的沉降; 而锚 浅埋深 薄基岩 大断面巷道 A 稳定性控制 数值分析
109
因此, 锚杆锚索联合支护可以很好地控制薄基岩 顶板的稳定性 。
图2
切眼上方不同深度处岩层垂直压力
图4
顶板垂直应力比较
由图 2 看出, 切眼开挖后, 无支护情况下, 各岩层 2. 5m 其中, 正上方的垂直压力得到不同程度的释放, 以下全部释放, 垂直压力为零; 而 9. 5m 以上垂直压力 变化较小; 其中, 超过 11. 5m 压力几乎没有变化, 与初 各岩层垂直压力的变化也可以说 始压力相等。此外, 明各岩层离层变化情况, 如 2. 5m 以下范围内各岩层完 无挤压; 而超过 11. 5m 的岩层几乎无离层现 全离层, 对薄基岩顶板必须采取合理的支护方式 。 象 。因此, 3 3. 1 锚杆锚索联合支护机理分析 切眼支护参数设计 切眼顶板支护设计采用锚杆和锚索联合支护 方 锚杆参数为: Φ16 × 2100mm, 间排距为: 1. 0 式。其中, × 1. 0m, 呈矩形布置, 每排布置 10 根; 锚索设计参数 为: Ф15. 24 × 8000mm, 间 排 距 为: 2. 5 × 2. 5m, 每排 4 根; 切眼帮部裸体支护 。切眼支护断面如图 3 所示。 3. 3
名称 砂土 粘性土 砂质泥岩 粉质砂岩 细砂岩 煤 密度 ( kg / m3 ) 2200 1800 2400 2436 2467 1270
岩土体物理力学参数
弹性模量 E( GPa) 0. 3 1. 0 18 8. 9 9. 7 10 内聚力 ( MPa) 0. 5 1. 0 8. 0 7. 50 14. 35 1. 2 内摩擦角 Φ( ° ) 20 13 31 30. 3 21. 8 38 泊松比 ν 0. 4 0. 3 0. 18 0. 18 0. 16 0. 2
J2 - 3 C 槡 1 - 1 3 3 J3 θ = cos ( 槡 3 /2 ) 3 2 J2
* 收稿日期: 2012 - 04 - 16 作者简介: 柳泉( 1975 - ) , 山东莱阳人, 毕业于山东科技大学采矿 工程专业, 现任兖矿集团鲍店煤矿计划科副科长 。
2012 年第 3 期
影响范围约为 5m 左右 。 沉降,
杆锚索联合支护则可以较好地控制顶板岩层的受力和变形, 且锚索预紧力对支护效果有很大影响。 关键词 中图分类号 TD353. 6 文献标识码
兖州矿区赋存有大量浅埋煤层 。 与深埋 煤层相 比, 浅埋煤层上部基岩一般较薄, 由多个岩层分层组 成, 各岩层具有软、 弱、 薄等特征
[1 ]
, 并且薄基岩上部还
分布有较厚的粘土、 风积砂等松散层, 因此, 巷道开挖 时往往会导致冒顶、 溃砂等事故, 威胁矿山安全生产 。 所以, 加强对薄基岩巷道顶板受力变形特性及支护方 式的研究是十分必要的 。 目前, 我国有关薄基岩的研究还很少 。 其中, 宣以 琼
[2 ]
通过多因素拟合, 确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采 表1
[8 ] [7 ]
切眼顶板结构柱状图
厚度( m) 1 . 80 78 . 0 1 . 86 3 . 25 9 . 45 0 . 60 5 . 55 2 . 78
分别通过
试验 、 数值模拟等方法对薄基岩巷道顶板破断规律 、 顶 通过试验研究, 成功地提 高了杨村 矿 3 煤 层 薄 基 岩 区 综 放 面 开 采 上 限; 郭 维 等基于建筑物下条带法开采的地表变形观测, 结 合数值模拟方法研究了厚松散层薄基岩条件下, 条带 法开采不同采留尺度的地表沉陷规律等 。 1 数值模型的建立 切眼正常段设计宽度为 8. 5m, 局部机窝 、 架窝处 为 10m。根据顶板受力特点, 按平面应变对问题进行 简化, 建立二维几何模型, 如图 1 所示 。 其中, 切眼取 10m 计算, 模型宽度取 100m, 左右两侧边界水平方向 约束, 底部垂直方向约束。 由切眼附近钻孔揭露的上 部岩层结构如表 1 所示 。 模型假定各岩土体为弹塑性材料, 物理力学参数如表 2 所示, 材料破坏符合 Mohr - Coulomb 准则, 屈服表达式为: f MC cosθ) 1 = I1 sin + ( 3 ( 1 - sin ) sinθ + 槡 3 ( 3 + sin ) 2 ( 1) ( 2) 2
图6
锚索预紧力对顶板位移影响
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图3 切眼支护剖面图
图5 顶板位移比较
锚索预紧力影响分析 假设锚杆的预紧力为 50kN, 取锚索预紧力分别为
80kN、 100kN、 150kN、 200kN, 则不同锚索预紧力对顶板 沉降量的影响如图 6 所示 。 从图 6 中可以看出, 随锚索预紧力的增大, 巷道顶 特别是顶板表面附近位移变化较 板沉降量逐渐减小, 支护施工过程中, 提高预紧力对减小顶板 显著 。因此, 下沉, 控制巷道稳定性是十分必要的 。